СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВХОДЕ В ТУРБИНУ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИКИ (ВАРИАНТЫ) И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК G01K11/26 G01K13/02 G01K15/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Газотурбинные двигатели работают при высоких температурах, чтобы улучшить тепловую эффективность и уменьшить нежелательные выбросы. Одной из самых высокотемпературных зон газотурбинного двигателя является область у входа в турбину. Типичные температуры в этой области настолько высоки, что большинство датчиков температуры не могут работать в течение длительного периода времени.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Способ определения температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя включает в себя измерение изменений давления в секции сгорания газотурбинного двигателя во время его работы для получения данных зависимости давления от времени, извлечение резонансной частоты из данных зависимости давления от времени и расчет температуры на входе в турбину исключительно на основе резонансной частоты.

[0003] В другой конструкции способ определения температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя включает в себя размещение датчика динамического давления в секции сгорания, размещение датчика температуры в положении, подходящем для измерения температуры на входе в турбину, и измерение изменений давления датчиком динамического давления для получения данных зависимости давления от времени. Способ также включает в себя измерение температуры на входе в турбину с использованием датчика температуры для получения данных зависимости температуры от времени, определение резонансной частоты на основе данных зависимости давления от времени, использование резонансной частоты и данных зависимости температуры от времени для определения значения по меньшей мере одной константы в полиномиальном уравнении, и расчет температуры на входе в турбину с использованием полиномиального уравнения исключительно на основе резонансной частоты.

[0004] В еще одной конструкции газотурбинный двигатель включает в себя секцию сгорания, предназначенную для сжигания топлива с образованием выхлопного газа, секцию турбины, соединенную с секцией сгорания и предназначенную для приема выхлопных газов, при этом секция турбины образует впускное отверстие турбины с датчиком температуры на входе в турбину и датчиком динамического давления, расположенным в секции сгорания и способным измерять колебания давления. Двигатель также включает в себя компьютерную систему, соединенную с датчиком динамического давления для получения данных о давлении в зависимости от времени. Компьютерная система включает в себя процессор и память, в которой хранятся инструкции, которые при выполнении процессором конфигурируют устройство для извлечения резонансной частоты из данных зависимости давления от времени и расчета температуры на входе в турбину исключительно на основе резонансной частоты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] Для того, чтобы легко идентифицировать обсуждение любого конкретного элемента или действия, старшая значащая цифра или цифры в ссылочном номере относятся к номеру чертежа, в котором этот элемент представлен впервые.

[0006] Фиг. 1 представляет собой продольный разрез газотурбинного двигателя.

[0007] Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение камеры сгорания газотурбинного двигателя, показанного на Фиг. 1.

[0008] Фиг. 3 представляет собой схематическую иллюстрацию системы управления, предназначенной для управления работой газотурбинного двигателя, показанного на Фиг. 1.

[0009] Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую работу модуля расчета температуры на входе в турбину, работающего с системой управления, показанной на Фиг. 3, для определения температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя, показанного на Фиг. 1.

[0010] Фиг. 5 представляет собой серию графиков, иллюстрирующих стадию обнаружения пика в модуле расчета температуры на входе в турбину.

[0011] Фиг. 6 включает в себя два графика, иллюстрирующие два результата, полученные с использованием двух разных способов определения спектра.

[0012] Фиг. 7 представляет собой график, показывающий зависимость резонансной частоты от времени, рассчитанную модулем расчета температуры на входе в турбину.

[0013] Фиг. 8 представляет собой график, сравнивающий результаты температуры на входе в турбину, рассчитанные модулем расчета температуры на входе в турбину, с фактическими измеренными температурами на входе в турбину.

[0014] Фиг. 9 представляет собой график, показывающий выбранную область 900 графика на Фиг. 8.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0015] Прежде, чем любые варианты осуществления настоящего изобретения будут объяснены подробно, следует понять, что настоящее изобретение не ограничено в его применении к деталям конструкции и компоновке компонентов, перечисленных в данном описании или проиллюстрированных в последующих чертежах. Настоящее изобретение может иметь другие варианты осуществления, а также может быть реализовано или выполнено различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, предназначены для целей описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.

[0016] Далее будут описаны различные технологии, относящиеся к системам и способам, со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые ссылочные цифры обозначают одинаковые элементы. Чертежи, обсуждаемые ниже, и различные варианты осуществления, используемые для описания принципов настоящего раскрытия в этом патентном документе, приведены только в качестве иллюстрации и никоим образом не должны толковаться как ограничивающие объем раскрытия. Специалистам в данной области техники будет понятно, что принципы настоящего раскрытия могут быть реализованы в любом подходящем устройстве.

[0017] Следует понимать, что функциональность, описанная как выполняемая некоторыми элементами системы, может выполняться несколькими элементами. Аналогичным образом, например, элемент может быть сконфигурирован для выполнения функций, которые описываются как выполняемые несколькими элементами. Многочисленные новаторские принципы настоящей заявки будут описаны со ссылкой на примерные неограничивающие варианты осуществления.

[0018] Кроме того, следует понимать, что слова или фразы, используемые в настоящем документе, должны толковаться широко, если только они явно не ограничены в некоторых примерах. Например, термины «включающий», «имеющий» и «содержащий», а также их производные означают включение без ограничения. Формы единственного числа включают в себя также и множественное число, если контекст явно не указывает иное. Кроме того, использующийся в настоящем документе термин «и/или» охватывает любые и все возможные комбинации одного или более связанных перечисленных объектов. Термин «или» является включающим, означающим и/или, если из контекста явно не следует иное. Фразы «связанный с» и «связанный с этим», а также их производные могут означать включение, вхождение в состав, взаимосвязь, содержание, содержание в составе, соединение, сопряжение, сообщение, кооперацию, чередование, сопоставление, нахождение рядом, связанность, обладание, наличие свойства и т.п. Кроме того, несмотря на то, что в настоящем документе может быть описано несколько вариантов осуществления или конструкций, любые особенности, способы, стадии, компоненты и т. д., описанные в отношении одного варианта осуществления, в равной степени применимы к другим вариантам осуществления, если явно не указано обратное.

[0019] Кроме того, хотя термины «первый», «второй», «третий» и т.д., могут использоваться в настоящем документе для обозначения различных элементов, информации, функций или действий, эти элементы, информация, функции или действия не должны ограничиваться этими терминами. Скорее эти числовые прилагательные используются для того, чтобы отличить друг от друга различные элементы, информацию, функции или действия. Например, первый элемент, информация, функция или действие могут быть названы вторым элементом, информацией, функцией или действием, и аналогичным образом второй элемент, информация, функция или действие могут быть названы первым элементом, информацией, функцией или действием без выхода из области охвата настоящего раскрытия.

[0020] В дополнение к этому, термин «смежный» может означать: что элемент находится относительно близко, но не в контакте с другим элементом; или что элемент находится в контакте с дополнительной частью, если в контексте явно не указано иное. Кроме того, фраза «основанный на» означает «основанный по меньшей мере частично на», если явно не указано иное. Термины «примерно» или «по существу» или аналогичные термины предназначены для охвата вариаций значений, которые находятся в пределах обычных производственных допусков для данного размера. Если промышленный стандарт отсутствует, эти термины соответствуют отклонению в 20 процентов, если явно не указано иное.

[0021] Фиг. 1 иллюстрирует один пример газотурбинного двигателя 100, включающего в себя секцию 102 компрессора, секцию 104 сгорания и секцию 106 турбины. Секция 102 компрессора включает в себя множество ступеней 108 компрессора, причем каждая ступень включает в себя набор вращающихся лопаток и набор стационарных или регулируемых направляющих лопаток. Секция 102 компрессора сообщается по текучей среде с впускной секцией 114, что позволяет газотурбинному двигателю 100 втягивать атмосферный воздух в компрессорную секцию 102. Во время работы газотурбинного двигателя 100 секция 102 компрессора всасывает атмосферный воздух и сжимает его для подачи в секцию 104 сгорания.

[0022] В проиллюстрированной конструкции секция 104 сгорания включает в себя множество отдельных камер 200 сгорания, каждая из которых работает для смешивания потока топлива со сжатым воздухом из секции 102 компрессора и для сжигания этой воздушно-топливной смеси для получения потока продуктов сгорания или выхлопного газа 116 с высокой температурой и высоким давлением. Конечно же, возможно множество других компоновок секции 104 сгорания.

[0023] Секция 106 турбины включает в себя множество ступеней 110 турбины, причем каждая ступень включает в себя ряд вращающихся лопастей и ряд неподвижных лопастей или лопаток. Ступени 110 турбины предназначены для приема выхлопных газов 116 из секции 104 сгорания на входе 112 турбины и расширения этого газа для преобразования тепловой энергии и энергии давления во вращательную или механическую работу. Секция 106 турбины соединена с секцией 102 компрессора для привода секции 102 компрессора. Для газотурбинных двигателей, используемых для выработки электроэнергии или в качестве первичных двигателей, секция 106 турбины также соединяется с генератором, насосом или другим ведомым устройством.

[0024] Система 300 управления связана с газотурбинным двигателем 100 и предназначена для контроля различных рабочих параметров и управления различными операциями газотурбинного двигателя 100. В предпочтительных конструкциях система 300 управления обычно основана на микропроцессоре и включает в себя запоминающие устройства и устройства хранения данных для сбора, анализа и хранения данных. В дополнение к этому, система 300 управления обеспечивает выходные данные для различных устройств, включая мониторы, принтеры, индикаторы и т.п., которые позволяют пользователям взаимодействовать с системой 300 управления для предоставления входных данных или настроек. В примере системы выработки электроэнергии пользователь может вводить заданное значение выходной мощности, и система 300 управления регулирует различные управляющие входные данные для достижения этой выходной мощности эффективным образом.

[0025] Система 300 управления может управлять различными рабочими параметрами, включая, но не ограничиваясь этим, изменяемые положения впускных направляющих лопаток, расход и давление топлива, частоту вращения двигателя, положения клапанов и нагрузку генератора. Конечно же, в других приложениях может быть меньше или больше управляемых устройств. Система 300 управления также отслеживает различные параметры, чтобы гарантировать правильную работу газотурбинного двигателя 100. Некоторые отслеживаемые параметры могут включать в себя температуру воздуха на входе, температуру и давление на выходе из компрессора, температуру на выходе из камеры сгорания, расход топлива, выходную мощность генератора и т.п. Многие из этих измерений отображаются для пользователя и регистрируются для последующего просмотра, если такой просмотр будет необходим. Также желательно определять температуру на входе в турбину. Однако, как будет рассмотрено более подробно, эту температуру трудно измерить напрямую.

[0026] Фиг. 2 представляет собой увеличенный вид в разрезе одной из камер 200 сгорания газотурбинного двигателя 100, показанного на Фиг. 1. Каждая камера 200 сгорания включает в себя цилиндрическую секцию 202, по меньшей мере одну жаровую трубу 208, корзину 204 камеры сгорания и переходную деталь 212. Цилиндрическая секция 202 крепится к газотурбинному двигателю 100 и поддерживает любые трубопроводы и клапаны, необходимые для направления топлива в камеру 200 сгорания. Корзина 204 камеры сгорания проходит от цилиндрической секции 202 к секции 106 турбины и определяет длинную ось 206, которая расположена под косым углом по отношению к центральной оси 118 газотурбинного двигателя 100. Корзина 204 камеры сгорания работает как вкладыш для отделения зоны сгорания камеры 200 сгорания от наружных стенок газотурбинного двигателя 100. По меньшей мере одна жаровая труба 208, а во многих случаях несколько жаровых труб 208 расположены внутри корзины 204 камеры сгорания. Жаровые трубы 208 выбрасывают поток топлива и воздуха, который воспламеняется с образованием одного или нескольких языков пламени 210 внутри корзины 204 камеры сгорания. Корзина 204 камеры сгорания включает в себя множество отверстий (не показаны), которые позволяют дополнительному воздуху поступать в зону сгорания для обеспечения полного сгорания и охлаждения продуктов сгорания перед их выпуском в секцию 106 турбины. Переходная деталь 212 располагается рядом с корзиной 204 камеры сгорания, чтобы принимать газообразные продукты сгорания и эффективно направлять их на вход 112 турбины.

[0027] Как показано на Фиг. 2, первый датчик 214 динамического давления расположен на выпускном конце корзины 204 камеры сгорания, а второй датчик 216 динамического давления расположен в переходной детали 212 ниже по потоку от первого датчика 214 динамического давления. Датчики 214, 216 динамического давления способны обнаруживать небольшие и быстрые изменения давления, связанные со слуховыми изменениями в камере 200 сгорания. Хотя показаны два датчика 214, 216, для обнаружения желаемых колебаний давления требуется только один. В других конструкциях эти датчики 214, 216 могут быть расположены в цилиндрической части 202 или в других областях камеры 200 сгорания. Фактическое положение и количество необходимых датчиков могут варьироваться в зависимости от конструкции камеры сгорания, поскольку небольшие изменения конструкции могут иметь большое влияние на акустическую среду.

[0028] Другие датчики 222, такие как другие акустические датчики, низкочастотные датчики давления, датчики 218 температуры, оптические датчики или датчики ионизации, по отдельности или в некоторой комбинации, могут быть выполнены с возможностью обнаружения физических явлений по меньшей мере в части потока газа. В некоторых вариантах осуществления имеется несколько исполнительных механизмов или датчиков, или того и другого, совокупно называемых преобразователями.

[0029] Датчики 214, 216 динамического давления принимают акустические колебания, генерируемые в корзине 204 камеры сгорания, и преобразуют эти колебания в сигналы, которые могут быть проанализированы системой 300 управления или другой системой. В других вариантах осуществления используются разные акустические преобразователи в одном или нескольких местах, чувствительных к акустическим явлениям в корзине 204 камеры сгорания. В некоторых конструкциях датчики 214, 216 давления расположены выше по потоку от пламени 210. Это положение является более холодным, чем положение датчика, показанное на Фиг. 2.

[0030] Датчики 214, 216 динамического давления устанавливаются на каждой корзине 204 камеры сгорания в системе с трубчато-кольцевой камерой сгорания или несколько в кольце в случае кольцевой камеры. Судя по результатам, полученным с помощью продвинутых систем сбора данных, эти датчики 214, 216 достаточно чувствительны, чтобы улавливать звук, создаваемый многочисленными событиями и эксплуатационными изменениями в газотурбинном двигателе 100.

[0031] Следует отметить, что первый датчик 214 динамического давления и второй датчик 216 динамического давления обычно располагаются, как показано на Фиг. 2. Однако в зависимости от того, что именно анализируется, могут использоваться другие места или дополнительные датчики. Эти датчики 214, 216 обычно устанавливаются для контроля рабочих характеристик, не обязательно связанных с температурой на входе в турбину.

[0032] Фиг. 2 также показывает датчик 220 температуры, расположенный рядом с впускным отверстием 112 турбины. Хотя датчик 220 температуры способен непосредственно измерять температуру на входе в турбину, температура в этой области (часто составляющая 1600 градусов по Цельсию или больше) во время работы быстро повреждает и разрушает датчик 220 температуры. Таким образом, длительное использование этого датчика 220 для измерения температуры на входе в турбину обычно невозможно или экономически невыгодно.

[0033] Фиг. 3 иллюстрирует часть системы 300 управления, предназначенную для управления работой газотурбинного двигателя 100, а также для определения, оценки или вычисления температуры на входе в турбину. Как это обычно имеет место в современном газотурбинном двигателе 100, Фиг. 3 иллюстрирует первый датчик 214 динамического давления, второй датчик 216 динамического давления, блок 310 управления двигателем и блок 312 хранения рабочих данных двигателя или другое запоминающее устройство, подходящее для хранения рабочих данных.

[0034] Как уже обсуждалось, каждый из первого датчика 214 динамического давления и второго датчика 216 динамического давления расположен внутри секции 104 сгорания и предназначен для измерения быстрых изменений давления, которые являются изменениями акустического давления. Первый датчик 214 динамического давления измеряет изменения давления во время работы и генерирует сигнал, указывающий на измеренные изменения давления. Затем сигнал направляется на усилитель 304 или другие схемы обработки, которые обрабатывают сигнал, чтобы сделать его пригодным для использования. В случае Фиг. 3 сигнал усиливается для получения усиленного сигнала. Затем усиленный сигнал направляется на изолятор 306, который изолирует чувствительный усилитель 304 и первый датчик 214 динамического давления от паразитных напряжений или токов, которые могут вызвать повреждение. Один подходящий изолятор 306 представляет собой гальванический разделитель. В других конструкциях для использования в качестве изолятора 306 могут подойти трансформатор, оптическая изоляция, конденсаторы, устройства на эффекте Холла и т.п.

[0035] После прохождения через изолятор 306 сигнал поступает на монитор 308 датчика для дальнейшего анализа, хранения или передачи в блок 310 управления двигателем. Второй датчик 216 динамического давления вырабатывает сигнал, который проходит через компоненты, аналогичные только что описанным для первого датчика 214 динамического давления.

[0036] Блок 310 управления двигателем собирает рабочие данные, включая давление, температуру, скорость, расход топлива и т.п., чтобы обеспечить точное и эффективное управление и работу газотурбинного двигателя 100. Некоторые или все собранные рабочие данные направляются в модуль 312 хранения рабочих данных, где они могут быть сохранены для последующего использования, доступны для других систем, архивированы, переданы или использованы иным образом.

[0037] Компоненты, описанные со ссылкой на Фиг. 3 до этого момента, входят в состав большинства действующих газотурбинных двигателей. Конечно же, дополнительные датчики, элементы управления или другие устройства могут быть включены, и обычно также включаются. Фиг. 3 также иллюстрирует систему 314 расчета температуры на входе в турбину, которая включает в себя компьютерную систему 302. Компьютерная система 302 включает в себя интерфейс 320, вычислительный сервер 318 и хранилище 316 данных, которые вместе способны работать для расчета температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя 100, показанного на Фиг. 1.

[0038] Для расчета температуры на входе в турбину сигнал от каждого изолятора 306 передается в компьютерную систему 302. Предпочтительно, чтобы сигнал дискретизировался с частотой не менее 5 кГц для обеспечения необходимой точности, а в некоторых конструкциях - с частотой более 20 кГц.

[0039] Фиг. 4 иллюстрирует модуль 400 расчета температуры на входе в турбину, который включает в себя различные стадии, выполняемые компьютерной системой 302 для расчета температуры на входе в турбину с использованием только данных, предоставленных одним или обоими датчиками 214, 216 динамического давления. Эти стадии включают в себя стадию 402 извлечения резонансной частоты, стадию 404 отслеживания и стадию 406 преобразования частоты в температуру. Данные 408 датчика от одного или нескольких датчиков 214, 216 динамического давления подаются на стадию 402 извлечения резонансной частоты, а результат 410 температуры на входе в турбину выводится на стадии 406 преобразования частоты в температуру. В предпочтительных конструкциях результат 410 температуры на входе в турбину представляет собой кривую зависимости температуры от времени или может просто включать показания текущей температуры на входе в турбину.

[0040] В некоторых конструкциях стадия 412 проверки работоспособности может выполняться перед запуском модуля 400 расчета температуры на входе в турбину. Стадия 412 проверки работоспособности может определить, работает ли газотурбинный двигатель 100, находится ли он под определенной нагрузкой или перегружен, работает ли на определенной скорости, или может проверить любые другие параметры перед запуском модуля 400 расчета температуры на входе в турбину. В некоторых режимах работы точность результата 410 температуры на входе в турбину может быть не такой высокой, как хотелось бы. Стадия 412 проверки работоспособности может использоваться для отключения модуля 400 расчета температуры на входе в турбину при работе в этих режимах.

[0041] Стадия 402 извлечения резонансной частоты включает в себя стадию 600 определения спектра, стадию 500 определения местоположения пика и стадию 414 анализа плотности пика. На стадии 600 определения спектра модуль 400 расчета температуры на входе в турбину получает данные 408 датчика в виде данных зависимости амплитуды от времени. Данные зависимости амплитуды от времени преобразуются в частотную область, так что данные зависимости частоты от амплитуды доступны для анализа. Предпочтительные системы используют авторегрессионный анализ спектральной плотности мощности (PSD) на стадии 600 определения спектра, который преобразует данные 408 датчика в частотную область и дает авторегрессионные результаты 602 PSD, как показано на Фиг. 6. Конечно же, другие системы могут использовать другие методы или способы, включая быстрые преобразования Фурье (FFT) и т.п. Как проиллюстрировано на Фиг. 6, авторегрессионные результаты 602 PSD превосходят результаты 604 FFT, полученные с использованием стандартного FFT.

[0042] Стадия 500 локализации пика и стадия 404 отслеживания, показанные на Фиг. 5, используются для определения частоты любых резонансных частот, содержащихся в данных 508 зависимости частоты от амплитуды, и для отслеживания этих частот. На первом графике 502 на Фиг. 5 стадия 500 обнаружения пика использует метод обучения без учителя для определения местоположения резонансных частот в данных 508 зависимости частоты от амплитуды и для определения корзин 510 вокруг каждой из резонансных частот. Средство оценки плотности ядра использует определенные корзины 510 в качестве входных данных для вычисления местоположения этих резонансных частот. Каждый пик 512 на втором графике 504 на Фиг. 5 представляет собой результат оценки плотности ядра, при этом ширина каждого пика 512 представляет собой распределение или разброс значений вокруг центра пика 512.

[0043] Как только частоты идентифицированы, стадия 404 отслеживания отслеживает местоположение каждого пика 512, как показано на третьем графике 506. Результатом стадии 404 отслеживания может быть кривая резонансной частоты в зависимости от времени 700 для каждого пика 512, идентифицированного на стадии 500 определения местоположения пика. Для отслеживания каждого пика 512 и завершения требуемой кривой зависимости резонансной частоты от времени 700 применяется фильтр 416. В проиллюстрированной конструкции в качестве фильтра используется фильтр Калмана 416. Преимущество фильтра Калмана 416 состоит в том, что он всегда обеспечивает такое значение, которое позволяет фильтру 416 восполнять недостающие данные или удалять неверные данные, если имеются прерывания или другие проблемы, которые могут создавать пробелы в данных. Конечно же, для достижения желаемых результатов можно использовать и другие фильтры и методы фильтрации.

[0044] Теперь, когда доступна кривая резонансной частоты в зависимости от времени 700, как показано на Фиг. 7, компьютерная система 302 может выполнить стадию 406 преобразования частоты в температуру. Следующее уравнение используется для расчета температуры на входе в турбину на каждом временном шаге с использованием только одной из резонансных частот 702.

[0045] В приведенном выше уравнении T представляет собой температуру на входе в турбину, f представляет собой резонансную частоту, а a, b и c представляют собой константы, которые должны быть определены до выполнения модуля 400 вычисления температуры на входе в турбину. Один способ, подходящий для использования при определении констант, включает использование датчика 220 температуры, расположенного рядом с впускным отверстием 112 турбины. Датчик 220 температуры измеряет фактическую температуру на входе в турбину во время работы, в то время как первый датчик 214 динамического давления измеряет значения давления. Зная температуру и резонансную частоту, можно решить приведенное выше уравнение, чтобы определить оптимальные значения для a, b и c. Не все газотурбинные двигатели 100 включают в себя датчик 220 температуры вблизи входного отверстия 112 турбины, а те, у которых он есть, часто испытывают отказ датчика 220 температуры после короткого периода работы из-за очень высокой температуры в этом месте. Таким образом, этот процесс используется, когда датчик 220 температуры доступен для определения значений a, b и c.

[0046] Следует отметить, что каждый газотурбинный двигатель отличается, так что значения для одной турбины могут не подходить для другого газотурбинного двигателя. В дополнение к этому, многие газотурбинные двигатели включают в себя несколько камер 200 сгорания, и каждая из камер 200 сгорания имеет небольшие отличия, которые могут потребовать разных значений a, b и c для каждой из камер 200 сгорания. В дополнение к этому, в некоторых приложениях для конкретного газотурбинного двигателя или одной или нескольких камер 200 сгорания может больше подходить другое уравнение, включая полиномы более высокого порядка или уравнения в других формах.

[0047] Для газотурбинных двигателей 100, которые не имеют подходящего датчика 220 температуры вблизи входного отверстия 112 турбины, для определения значений констант а, b и с можно использовать тепловой баланс. Тепловой баланс прогнозирует ожидаемые значения температуры на входе в турбину при различных условиях эксплуатации. Таким образом, можно эксплуатировать газотурбинный двигатель 100 в этих условиях и измерять данные давления с использованием первого датчика 214 динамического давления. Тогда было бы достаточно данных, чтобы решить уравнение для a, b и c. Хотя это не так точно, как использование фактических данных о температуре на входе в турбину, использование теплового баланса для расчета констант является достаточно точным, чтобы обеспечить полезные результаты расчета температуры на входе в турбину 410.

[0048] Как будет понятно специалисту в данной области техники, другие способы и системы могут использоваться для определения значений констант a, b и c, и при желании также может быть использована комбинация этих двух способов. Как было отмечено выше, некоторые газотурбинные двигатели могут быть более точно представлены другими уравнениями, включая полиномы более высокого порядка или уравнения в других формах.

[0049] Следует также отметить, что хотя система 314 вычисления была описана как определяющая температуру на входе в турбину с использованием только одной из резонансных частот, другие конструкции могут использовать несколько резонансных частот. В этих системах в одном уравнении могут использоваться две или более резонансные частоты, или каждая резонансная частота 702 может использоваться в своем собственном уравнении, при этом результаты объединяются (например, усредняются) для получения одного значения температуры.

[0050] Фиг. 8 представляет собой график, сравнивающий результаты 410 вычисления температуры на входе в турбину с фактическими измеренными температурами 802 на входе в турбину. Как можно заметить, ошибка между фактически измеренными температурами 802 на входе в турбину и результатами 410 вычисления температуры на входе в турбину, полученными системой 314 вычисления, является значительной при более низком значении температуры. Как правило, это более низкое значение температуры соответствует более низкой нагрузке. Стадия 412 проверки может использоваться для отключения модуля 400 расчета температуры на входе в турбину при этих более низких нагрузках, чтобы гарантировать, что модуль 400 расчета температуры на входе в турбину сообщает только точные результаты 410 расчета температуры на входе в турбину.

[0051] На Фиг. 8 можно заметить, что по мере увеличения температуры и нагрузки точность вычисленных результатов 410 температуры на входе в турбину повышается. Например, в одной конструкции стадия 412 проверки проверяет, работает ли газотурбинный двигатель 100 на восемьдесят процентов или выше, прежде чем запускать модуль 400 расчета температуры на входе в турбину. Поскольку работа при этих более высоких температурах вызывает большее беспокойство, допустимо ограничение работы модуля 400 расчета температуры на входе турбины только этими более высокими температурами и нагрузками.

[0052] Фиг. 9 представляет собой график выбранной области 900 диаграммы на Фиг. 8 и лучше иллюстрирует точность системы 314 вычисления. Как можно заметить, результаты 410 расчета температуры на входе в турбину обычно находятся в пределах нескольких градусов от фактической измеренной температуры 802 на входе в турбину. Фактически, даже во время переходного режима, такого как внезапное изменение нагрузки, результаты 410 расчета температуры на входе в турбину остаются в пределах нескольких градусов от фактической измеренной температуры 802 на входе в турбину. Фиг. 9 иллюстрирует резкое снижение нагрузки примерно с момента времени 1,625 до момента времени 1,7 с последующим внезапным увеличением примерно до момента времени 1,75. Как можно заметить, результаты 410 расчета температуры на входе в турбину остаются в пределах нескольких градусов от фактически измеренных температур 802 на входе в турбину (например, в пределах 5 градусов по Цельсию или в пределах одного процента от фактического значения).

[0053] В процессе эксплуатации один газотурбинный двигатель 100 работает с датчиками 220 рабочей температуры на входе 112 турбины для каждой камеры 200 сгорания. Собираются рабочие данные, включая данные о частоте и фактические измеренные температуры 802 на входе в турбину. Данные о частоте направляются в компьютерную систему 314 и анализируются модулем 400 расчета температуры на входе в турбину. Значения констант a, b и c корректируются до тех пор, пока расчетные данные 410 температуры на входе в турбину не совпадут или станут близкими с фактически измеренными температурами 802 на входе в турбину. Как только a, b и c определены для каждой камеры 200 сгорания, модуль 400 расчета температуры на входе в турбину становится доступным для использования.

[0054] Во время работы при отсутствии датчиков 220 температуры на стадии 412 проверки определяется, работает ли газотурбинный двигатель 100 в режиме, в котором должна быть рассчитана температура на входе в турбину. Если это так, то данные о давлении, полученные от изолятора 306, анализируются с использованием модуля 400 вычисления температуры на входе в турбину для определения температуры на входе в турбину. Как уже обсуждалось, каждая камера 200 сгорания может иметь собственное уравнение, позволяющее определять температуру на входе в турбину для каждой камеры сгорания.

[0055] Хотя примерный вариант осуществления настоящего раскрытия был описан подробно, специалисты в данной области техники поймут, что различные изменения, замены, вариации и усовершенствования, раскрытые в настоящем документе, могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема раскрытия в самой широкой его форме.

[0056] Ни одно из описаний в настоящей заявке не следует понимать как подразумевающее, что какой-либо конкретный элемент, шаг, действие или функция является существенным элементом, который должен быть включен в объем формулы изобретения: объем патентуемого предмета определяется только формулой изобретения. Более того, ни один из пунктов формулы изобретения не предназначен для использования конструкции «средство плюс функция», если только за точными словами «средства для» не следует причастие.

Способ определения температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя включает в себя измерение изменений давления в секции сгорания газотурбинного двигателя во время его работы для получения данных зависимости давления от времени, извлечение резонансной частоты из данных зависимости давления от времени и расчет температуры на входе в турбину исключительно на основе резонансной частоты. Кроме того, также представлены газотурбинный двигатель и вариант способа. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ определения температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя, содержащий:

измерение изменений давления в секции сгорания газотурбинного двигателя во время работы газотурбинного двигателя для получения данных зависимости давления от времени;

извлечение резонансной частоты из данных зависимости давления от времени; и

вычисление температуры на входе в турбину исключительно на основе резонансной частоты.

2. Способ по п. 1, в котором этап извлечения содержит преобразование данных зависимости давления от времени в частотную область для получения данных зависимости частоты от амплитуды.

3. Способ по п. 2, в котором этап преобразования содержит вычисление авторегрессионной спектральной плотности мощности на основе данных зависимости давления от времени.

4. Способ по п. 2, в котором этап извлечения содержит идентификацию множества резонансных частот, которое включает в себя резонансную частоту, из данных зависимости частоты от амплитуды, и отслеживание множества резонансных частот относительно времени для создания кривой зависимости резонансной частоты от времени.

5. Способ по п. 4, в котором кривая зависимости резонансной частоты от времени генерируется с использованием фильтра Калмана, который заполняет недостающие данные и удаляет неверные данные.

6. Способ по п. 1, в котором этап вычисления содержит использование резонансной частоты в полиномиальном уравнении для расчета температуры на входе в турбину.

7. Способ по п. 6, в котором полиномиальное уравнение представляет собой полиномиальное уравнение второго порядка в форме , где T - температура на входе в турбину, f - резонансная частота, а a, b и c - константы.

8. Способ по п. 7, дополнительно содержащий измерение фактической температуры на входе в турбину во время работы газотурбинного двигателя для получения данных фактической температуры на входе в турбину в зависимости от времени и определение значений для a, b и c путем сравнения температуры на входе в турбину, рассчитанной с помощью полиномиального уравнения, с данными о фактической температуре на входе в турбину в зависимости от времени.

9. Способ по п. 7, дополнительно содержащий вычисление фактической температуры на входе в турбину с использованием теплового баланса турбины для получения данных фактической температуры на входе в турбину в зависимости от времени и определение значений для a, b и c путем сравнения температуры на входе в турбину, рассчитанной с помощью полиномиального уравнения, с данными о фактической температуре на входе в турбину в зависимости от времени.

10. Способ по п. 1, в котором газотурбинный двигатель включает в себя множество камер сгорания, и в котором температура на входе в турбину вычисляется отдельно для каждой из множества камер сгорания.

11. Способ определения температуры на входе в турбину для газотурбинного двигателя, содержащий:

размещение датчика динамического давления внутри секции сгорания;

размещение датчика температуры в положении, подходящем для измерения температуры на входе в турбину;

измерение изменений давления с помощью датчика динамического давления для получения данных зависимости давления от времени;

измерение температуры на входе в турбину с использованием датчика температуры для получения данных зависимости температуры от времени;

определение резонансной частоты на основе данных зависимости давления от времени;

использование резонансной частоты и данных зависимости температуры от времени для определения значения по меньшей мере одной константы в полиномиальном уравнении; и

вычисление температуры на входе в турбину с использованием полиномиального уравнения и исключительно на основе резонансной частоты.

12. Способ по п. 11, в котором полиномиальное уравнение представляет собой полиномиальное уравнение второго порядка в форме , где T - температура на входе в турбину, f - резонансная частота, а a, b и c - константы.

13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий определение значений a, b и c путем сравнения температуры на входе в турбину, рассчитанной по полиномиальному уравнению, с данными зависимости температуры от времени.

14. Способ по п. 11, в котором газотурбинный двигатель включает в себя множество камер сгорания, и в котором температура на входе в турбину вычисляется отдельно для каждой из множества камер сгорания.

15. Способ по п. 14, в котором полиномиальное уравнение отличается для каждой из множества камер сгорания.

16. Газотурбинный двигатель, содержащий:

секцию сгорания, предназначенную для сжигания топлива с образованием выхлопного газа;

секцию турбины, соединенную с секцией сгорания и предназначенную для приема выхлопных газов, при этом секция турбины образует входное отверстие турбины, имеющее температуру на входе в турбину;

датчик динамического давления, расположенный в секции сгорания и предназначенный для измерения колебаний давления;

компьютерную систему, соединенную с датчиком динамического давления для приема данных о давлении в зависимости от времени, содержащую:

процессор; и

память, в которой хранятся инструкции, которые при выполнении процессором конфигурируют устройство для извлечения резонансной частоты из данных зависимости давления от времени и расчета температуры на входе в турбину исключительно на основе резонансной частоты.

17. Газотурбинный двигатель по п. 16, в котором процессор вычисляет температуру газов на входе в турбину с использованием резонансной частоты в полиномиальном уравнении.

18. Газотурбинный двигатель по п. 17, в котором полиномиальное уравнение представляет собой полиномиальное уравнение второго порядка в форме , где T - температура на входе в турбину, f - резонансная частота, а a, b и c - константы.

19. Газотурбинный двигатель по п. 16, в котором секция сгорания включает в себя множество камер сгорания, и в котором температура на входе в турбину рассчитывается отдельно для каждой из множества камер сгорания.

20. Газотурбинный двигатель по п. 19, в котором полиномиальное уравнение отличается для каждой из множества камер сгорания.